(57)【要約】【課題】従来に比してより一層熱電変換特性が優れた熱電変換モジュール及びその製造方法を提供する。【解決手段】基板１の上に、ｎ型熱電変換材料膜を有する複数の熱電変換素子２を一定のピッチで配列する。また、基板１を挟むように、伝熱板４，５を取り付ける。熱電変換素子２は、Ｌａを添加したＳｒＴｉＯ３膜からなる熱電変換材料膜２ａと、熱電変換材料膜２ａ上に形成された高温側電極２ｂ及び低温側電極２ｃとを有する。伝熱板４は、凸部４ａが高温側電極２ｂに接触又は近接するように配置され、伝熱板５は基板１の裏面側であって低温側電極２ｃに対応する位置に凸部５ａが接触するように配置される。【選択図】図１
2011065185.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性基板と、
ｎ型及びｐ型のいずれか一方の熱電変換材料からなり、前記絶縁性基板の第１の面上に相互に間隔をおいて複数配置された熱電変換材料膜と、
各熱電変換材料膜上にそれぞれ相互に離隔して形成された第１の電極及び第２の電極と、
前記絶縁性基板の前記第１の面側に配置され、前記第１の電極に接触する凸部が設けられた第１の伝熱部材と、
前記絶縁性基板の前記第２の面側に配置され、前記絶縁性基板の前記第２の面上であって前記第２の電極に対応する領域に接触する凸部が設けられた第２の伝熱部材と
を有することを特徴とする熱電変換モジュール。
【請求項２】
前記第１の電極は前記熱電変換材料膜上の中央部に形成され、前記第２の電極は前記熱電変換材料膜上の前記第１の電極を挟む位置にそれぞれ形成され、前記第１の電極は隣接する前記熱電変換材料膜上の前記第２の電極に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の熱電変換モジュール。
【請求項３】
絶縁性基板と、
ｎ型及びｐ型のいずれか一方の熱電変換材料からなり、前記絶縁性基板の第１の面上に相互に間隔をおいて複数配置された熱電変換材料膜と、
各熱電変換材料膜上にそれぞれ相互に離隔して形成された第１の電極及び第２の電極と、
前記絶縁性基板の前記第１の面側に配置され、前記第１の電極の間で前記絶縁性基板に接触する凸部が設けられた第１の伝熱部材と、
前記絶縁性基板の前記第２の面側に配置され、前記絶縁性基板の前記第２の面上であって前記第２の電極に対応する領域に接触する凸部が設けられた第２の伝熱部材と
を有することを特徴とする熱電変換モジュール。
【請求項４】
前記第２の電極は前記熱電変換材料膜上の中央部に形成され、前記第１の電極は前記熱電変換材料膜上の前記第２の電極を挟む位置にそれぞれ形成され、前記第１の電極は隣接する前記熱電変換材料膜上の前記第２の電極に接続されていることを特徴とする請求項３に記載の熱電変換モジュール。
【請求項５】
前記第１の電極は前記熱電変換材料膜の一方の辺に沿って形成され、前記第２の電極は前記熱電変換材料膜の前記一方の辺に対向する他方の辺に沿って形成され、前記第１の電極は一方の側に隣接する前記熱電変換材料膜上の前記第２の電極に接続され、前記第２の電極は他方の側に隣接する前記熱電変換材料膜上の前記第１の電極に接続されていることを特徴とする請求項１又は３に記載の熱電変換モジュール。
【請求項６】
前記熱電変換材料膜が、チタン酸ストロンチウムを主成分とする導電性酸化物により形成されていることを特徴とする請求項１又は３に記載の熱電変換モジュール。
【請求項７】
前記第１の伝熱部材及び前記第２の伝熱部材の少なくとも一方の伝熱部材の前記凸部間の空間に、前記凸部と同じ高さの断熱材を有することを特徴とする請求項１又は３に記載の熱電変換モジュール。
【請求項８】
前記熱電変換材料膜の電気導電率が１０００Ｓ／ｃｍ以上、１００００Ｓ／ｃｍ以下であることを特徴とする請求項１又は３に記載の熱電変換モジュール。
【請求項９】
前記熱電変換材料膜は、前記絶縁性基板とエピタキシャルな関係にある単結晶膜であることを特徴とする請求項１又は３に記載の熱電変換モジュール。
【請求項１０】
前記絶縁性基板は、前記熱電変換材料膜よりも熱伝導率が低い材料からなることを特徴とする請求項１又は３に記載の熱電変換モジュール。
【請求項１１】
前記絶縁性基板は、酸化ジルコニウムを主成分とする層及び酸化セリウムを主成分とする層の少なくとも一方を有することを特徴とする請求項１又は３に記載の熱電変換モジュール。
【請求項１２】
前記絶縁性基板は、前記熱電変換材料膜が形成された面と反対の面側に、シリコン単結晶からなる層を有することを特徴とする請求項１又は３に記載の熱電変換モジュール。
【請求項１３】
更に、前記絶縁基板の第２の面上にも、前記第１の面側と同様の熱電変換材料膜、第１の電極及び第２の電極が設けられ、前記第２の伝熱部材の凸部は第２の面側の前記第２の電極に接触していることを特徴とする請求項１又は３に記載の熱電変換モジュール。
【請求項１４】
前記第１の伝熱部材及び前記第２の伝熱部材の少なくとも一方が、前記凸部が設けられた複数のヒートブロックと、それらのヒートブロック間を接続するフレキシブルシートとにより形成されていることを特徴とする請求項１又は３に記載の熱電変換モジュール。
【請求項１５】
絶縁性基板の第１の面上にｎ型及びｐ型のいずれか一方の熱電変換材料からなる熱電変換材料膜を形成する工程と、
前記熱電変換材料膜の上に、第１の電極及び第２の電極を相互に離隔させて形成する工程と、
前記熱電変換材料膜をパターニングして、前記熱電変換材料膜、前記第１の電極及び前記第２の電極を有する熱電変換素子を複数形成する工程と、
前記絶縁性基板の前記第１の面側に、前記第１の電極又は前記第１の電極間の前記絶縁性基板に接触する凸部が設けられた第１の伝熱部材を配置し、前記絶縁性基板の第２の面側に前記絶縁性基板の前記第２の面上であって前記第２の電極に対応する領域に接触する凸部が設けられた第２の伝熱部材を配置する工程と
を有することを特徴とする熱電変換モジュールの製造方法。
【請求項１６】
前記絶縁性基板がチタン酸ストロンチウムを主成分とする絶縁性酸化物からなり、前記熱電変換材料膜は前記絶縁性基板上にチタン酸ストロンチウムを主成分とする導電性酸化物をエピタキシャル成長させて形成することを特徴とする請求項１５に記載の熱電変換モジュールの製造方法。
【請求項１７】
シリコン単結晶からなるシリコンウエハの上に、絶縁材料をエピタキシャル成長させて絶縁性基板を形成する工程と、
前記絶縁性基板の上にｎ型及びｐ型のいずれか一方の熱電変換材料からなる熱電変換材料膜を形成する工程と、
前記熱電変換材料膜の上に、第１の電極及び第２の電極を相互に離隔させて形成する工程と、
前記熱電変換材料膜をパターニングすることにより、前記熱電変換材料膜、前記第１の電極及び前記第２の電極を有する熱電変換素子を複数形成する工程と、
前記熱電変換素子の上に、前記第１の電極の近傍の前記熱電変換材料膜と熱的に接触する凸部が設けられた第１の伝熱部材を形成する工程と、
前記シリコンウエハを除去する工程と、
前記絶縁性基板の下面であって前記第２の電極に対応する領域に接触する凸部が設けられた第２の伝熱部材を形成する工程とを有し、
前記絶縁性基板は前記熱電変換材料膜よりも熱伝導率が低い材料により形成することを特徴とする熱電変換モジュールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換モジュール及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＣＯ2の削減及び環境保護の観点から、熱電変換素子が注目されている。熱電変換素子を使用することにより、今まで廃棄されていた熱エネルギーを電気エネルギーに変換して再利用することが可能になる。一つの熱電変換素子では出力電圧が低いため、通常は複数の熱電変換素子を直列に接続し、熱電変換モジュールとしている。【０００３】
一般的な熱電変換モジュールは、２枚の伝熱板の間にｐ型熱電変換材料からなる多数の半導体ブロック（以下、ｐ型半導体ブロックという）と、ｎ型熱電変換材料からなる多数の半導体ブロック（以下、ｎ型半導体ブロックという）とを挟んだ構造を有している。ｐ型半導体ブロック及びｎ型半導体ブロックは、伝熱板の面内方向に交互に並べられ、各半導体ブロック間に配置された金属端子により直列接続されている。直列接続された半導体ブロックの両端には、それぞれ引出電極が接続されている。【０００４】
このような構造の熱電変換モジュールにおいて一つの熱電変換素子は、一つのｐ型半導体ブロックと、一つのｎ型半導体ブロックと、それらの間を接続する端子とにより形成されている。また、このような構造の熱電変換素子は、ｐ型半導体ブロック、ｎ型半導体ブロック及び端子がπ型に配置されることからπ型熱電変換素子と呼ばれている。【０００５】
上述の熱電変換モジュールにおいて、２枚の伝熱板に温度差を与えると、ゼーベック効果によりｐ型半導体ブロックとｎ型半導体ブロックそれぞれの内部に電位差が発生し、引出電極から電力を取り出すことができる。熱電変換モジュールは、例えばセンサネットワークを構成するワイヤレスセンサノードや、各種の微小電力電子機器の電源としての応用が期待されている。【０００６】
ところで、従来は、熱電変換素子材料として、ＢｉＴｅ（ビスマス−テルル）やＰｂＴｅ（鉛−テルル）などが使用されている。しかし、ＴｅやＰｂは環境負荷が大きい物質として知られており、環境負荷が小さい熱電変換材料が求められている。環境負荷が小さい熱電変換材料の一つにＳｒＴｉＯ3（チタン酸ストロンチウム：以下、「ＳＴＯ」ともいう）等の酸化物がある。例えばＳｒＴｉＯ3について、１ｍＶ／Ｋを超える極めて高いゼーベック係数が報告されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】実公平６−４０４７８号公報
【特許文献２】特開２００２−３３５０２１号公報
【特許文献３】特開２００９−１６８１２号公報
【特許文献４】特開平９−１１０５９２号公報
【特許文献５】特開２００６−６１８３７号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Matthew L.Scullin, et.al,"Anomalously large measured thermoelectric power factor in Sr1-xLaxTiO3 thin films due to SrTiO3 substrate reduction", Applied Physics Letters, 92, 202113 (2008)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述のＳＴＯを使用して、熱電変換素子を形成することが考えられる。しかし、一般的な熱電変換素子はｐ型半導体ブロックとｎ型半導体ブロックとを組み合わせて形成されており、ＳＴＯを用いてｎ型半導体ブロックを形成することはできるものの、現状ではＳＴＯに匹敵するｐ型の熱電変換材料がない。このため、仮にＳＴＯを用いてｎ型半導体ブロックを形成し、現状のｐ型熱電変換材料を用いてｐ型半導体ブロックを形成して熱電変換素子を組み立てても、ｐ型半導体ブロックの寄与が少ないため、十分な出力を得ることができない。【００１０】
以上から、従来に比してより一層熱電変換特性が優れた熱電変換モジュール及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
一観点によれば、絶縁性基板と、ｎ型及びｐ型のいずれか一方の熱電変換材料からなり、前記絶縁性基板の第１の面上に相互に間隔をおいて複数配置された熱電変換材料膜と、各熱電変換材料膜上にそれぞれ相互に離隔して形成された第１の電極及び第２の電極と、前記絶縁性基板の前記第１の面側に配置され、前記第１の電極又は前記第１の電極間の前記絶縁性基板に接触する凸部が設けられた第１の伝熱部材と、前記絶縁性基板の前記第２の面側に配置され、前記絶縁性基板の前記第２の面上であって前記第２の電極に対応する領域に接触する凸部が設けられた第２の伝熱部材とを有する熱電変換モジュールが提供される。
【発明の効果】
【００１２】
上記一観点による熱電変換モジュールでは、熱電変換特性が優れたｎ型又はｐ型の熱電変換材料のみを基板上に密に敷き詰めることで、単位面積当たりの出力電力が従来に比して向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、第１の実施形態に係る熱電変換モジュールの組み立て図である。
【図２】図２は、第１の実施形態に係る熱電変換モジュールの主要部の平面図である。
【図３】図３は、図２のＩ−Ｉ線における熱電変換モジュールの断面図である。
【図４】図４は、第１の実施形態に係る熱電変換モジュールの等価回路図である。
【図５】図５（ａ）〜（ｄ）は、第１の実施形態に係る熱電変換モジュールの製造方法を工程順に表す断面図である。
【図６】図６は、第１の実施形態の変形例１に係る熱電変換モジュールの基板とその上に形成された熱電変換素子との平面図である。
【図７】図７は、第１の実施形態の変形例２に係る熱電変換モジュールの断面図である。
【図８】図８は、第１の実施形態の変形例３に係る熱電変換モジュールの断面図である。
【図９】図９は、第１の実施形態の変形例４に係る熱電変換モジュールの断面図である。
【図１０】図１０は、第１の実施形態の変形例５に係る熱電変換モジュールの断面図である。
【図１１】図１１は、第１の実施形態の変形例６に係る熱電変換モジュールの断面図である。
【図１２】図１２は、第１の実施形態の変形例７に係る熱電変換モジュールの断面図である。
【図１３】図１３は、第２の実施形態に係る熱電変換モジュールの熱電変換素子が形成された基板の平面図である。
【図１４】図１４は、第２の実施形態に係る熱電変換モジュールの断面図である。
【図１５】図１５は、第２の実施形態に係る熱電変換モジュールの等価回路図である。
【図１６】図１６は、第２の実施形態の変形例１に係る熱電変換モジュールの断面図である。
【図１７】図１７は、第２の実施形態の変形例２に係る熱電変換モジュールの断面図である。
【図１８】図１８は、第２の実施形態の変形例３に係る熱電変換モジュールの断面図である。
【図１９】図１９は、第３の実施形態に係る熱電変換モジュールの熱電変換素子が形成された基板の平面図である。
【図２０】図２０は、第３の実施形態に係る熱電変換モジュールの断面図である。
【図２１】図２１は、第４の実施形態に係る熱電変換モジュールの熱電変換素子が形成された基板の平面図である。
【図２２】図２２は、第４の実施形態に係る熱電変換モジュールの断面図である。
【図２３】図２３は、第５の実施形態に係る熱電変換モジュールの熱電変換素子が形成された基板の平面図である。
【図２４】図２４は、第５の実施形態に係る熱電変換モジュールの断面図である。
【図２５】図２５は、第５の実施形態に係る熱電変換素子の製造方法を表す断面図（その１）である。
【図２６】図２６は、第５の実施形態に係る熱電変換素子の製造方法を表す断面図（その２）である。
【図２７】図２７は、第５の実施形態に係る熱電変換素子の製造方法を表す断面図（その３）である。
【図２８】図２８は、第５の実施形態に係る熱電変換素子の製造方法を表す断面図（その４）である。
【図２９】図２９は、第６の実施形態に係る熱電変換モジュールの熱電変換素子が形成された基板の平面図である。
【図３０】図３０は、第６の実施形態に係る熱電変換モジュールの断面図である。
【図３１】図３１は、第６の実施形態に係る熱電変換素子の製造方法を表す断面図（その１）である。
【図３２】図３２は、第６の実施形態に係る熱電変換素子の製造方法を表す断面図（その２）である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、実施形態について、添付の図面を参照して説明する。
【００１５】
１．第１の実施形態
図１は第１の実施形態に係る熱電変換モジュールの組み立て図、図２は同じくその熱電変換モジュールの主要部の平面図、図３は図２のＩ−Ｉ線における熱電変換モジュールの断面図である。
【００１６】
図１，図３のように、本実施形態に係る熱電変換モジュール１０は、熱電変換素子２が形成された絶縁性基板１を２枚の伝熱板（伝熱部材）４，５で挟んだ構造を有している。絶縁性基板１は例えばＳｒＴｉＯ3（チタン酸ストロンチウム）の単結晶からなり、その厚さは約１００μｍである。
【００１７】
図２のように、絶縁性基板１の上には、複数の熱電変換素子２が面内方向に一定のピッチで配置されている。各熱電変換素子２は、矩形状に形成された熱電変換材料膜２ａと、その熱電変換材料膜２ａの対向する２つの辺に沿って形成された高温側電極２ｂ及び低温側電極２ｃとを有している。熱電変換材料膜２ａは例えばＬａ（ランタン）が添加されたＳｒＴｉＯ3（以下、「Ｌａ−ＳＴＯ」ともいう）からなり、その厚さは約１５ｎｍである。また、熱電変換材料膜２ａの図２中のＸ方向（横方向）の長さは約１７０μｍ、Ｙ方向（縦方向）の長さは約１５ｍｍである。さらに、本実施形態では、隣接する熱電変換素子２間の間隔は約３０μｍであるとする。
【００１８】
熱電変換素子２の電極２ｂ，２ｃは例えばＣｕ（銅）等の低抵抗導電材料により形成されており、その幅は例えば３０μｍである。図２のように、隣り合う熱電変換素子２の対向する辺には同種の電極（高温側電極２ａ又は低温側電極２ｂ）が配置されている。そして、熱電変換素子２の高温側電極２ｂは一方の側に隣り合う熱電変換素子２の低温側電極２ｃに配線３ａを介して接続され、低温側電極２ｃは他方の側に隣り合う熱電変換素子２の高温側電極２ｂに配線３ａを介して接続されている。図２の熱電変換モジュール１０では、左端に配置された熱電変換素子２の高温側電極２ｂと右端に配置された熱電変換素子２の低温側電極２ｃとに、それぞれ電力を取り出すための引出電極３ｂが接続されている。
【００１９】
図４は、本実施形態に係る熱電変換モジュール１０の等価回路図である。この図４のように、本実施形態に係る熱電変換モジュール１０は、一対の引出電極３ｂ間に複数の熱電変換素子２が直列に接続された構造を有している。
【００２０】
伝熱板４，５は、例えば表面が絶縁処理されたアルミニウム板により形成されている。図３のように、伝熱板４には各熱電変換素子２の高温側電極２ｂに接触する凸部４ａが設けられており、伝熱板５には基板１の裏面側であって各熱電変換素子２の低温側電極２ｃに対応する領域に接触する凸部５ａが設けられている。図２において、６ａは伝熱板４の凸部４ａが接触する領域であり、６ｂは伝熱板５の凸部５ａが接触する領域である。本実施形態では、伝熱板４の凸部４ａは高温側電極２ｂを介して高温側電極２ｂの近傍の熱電変換材料膜２２ａと熱的に接触し、伝熱板５の凸部５ａは絶縁性基板１を介して低温側電極２ｃの近傍の熱電変換材料膜と熱的に接触している。
【００２１】
このように構成された本実施形態に係る熱電変換モジュール１０において、伝熱板４を高温側に配置し、伝熱板５を低温側に配置する。そうすると、伝熱板４，５の凸部４ａ，５ａ及び絶縁性基板１を介して、各熱電変換素子２の熱電変換材料膜２ａに熱が伝達され、熱電変換材料膜２ａに面内方向（高温側電極２ｂから低温側電極２ｃに向かう方向）の温度差が発生する。これにより、熱電変換材料膜２ａの高温側と低温側との間で電荷（キャリア）の移動が起こる。すなわち、熱電変換素子２の高温側電極２ｂと低温側電極２ｃとの間に、ゼーベック効果による電圧が発生する。一つの熱電変換素子２で発生する電圧は低いものの、伝熱板４，５間には多数の熱電変換素子２が直列に接続されているので、引出電極３ｂからは比較的高い電圧を取り出すことができる。
【００２２】
図５（ａ）〜（ｄ）は、第１の実施形態に係る熱電変換モジュールの製造方法を工程順に表した断面図である。
【００２３】
まず、図５（ａ）のように、表面の面方位が（１００）の単結晶ＳｒＴｉＯ3基板１を用意する。そして、この基板１の上に、スパッタ法によりＬａを３ａｔ％添加したＳｒＴｉＯ3（Ｌａ−ＳＴＯ）を約１５ｎｍの厚さに堆積（エピタキシャル成長）させて、ｎ型熱電変換材料膜３２を形成する。その後、熱電変換材料膜３２の上に、スパッタ法により銅（Ｃｕ）を１μｍ程度堆積させて、めっきシード層３３を形成する。
【００２４】
なお、本実施形態では熱電変換材料膜３２がＬａ−ＳＴＯ単結晶からなるものとする。熱電変換材料膜３２は単結晶のほうが良好な熱電変換特性を示すが、多結晶であってもよい。
【００２５】
次に、図５（ｂ）の構造を得るまでの工程について説明する。まず、めっきシード層３３の上に、所望のパターン（高温側電極２ｂ、低温側電極２ｃ、配線３ａ及び引出電極３ｂのパターン）で開口部が形成されたレジスト膜（図示せず）を形成する。そして、例えば電解めっき法により、開口部の内側のめっきシード層３３の上に銅（Ｃｕ）を約２０μｍの厚さに形成して、高温側電極２ｂ、低温側電極２ｃ、配線３ａ（図５では図示せず）及び引出電極３ｂ（図５では図示せず）を形成する。なお、これらの高温側電極２ｂ、低温側電極２ｃ、配線３ａ及び引出電極３ｂを他の低抵抗導電材料、例えばＡｇ（銀）、Ａｕ（金）又はＡｌ（アルミニウム）により形成してもよい。
【００２６】
その後、レジスト膜を除去する。そして、例えばエッチング液として塩化第二鉄水溶液を使用し、高温側電極２ｂ、低温側電極２ｃ、配線３ａ及び引出電極３ｂに覆われていない部分のめっきシード層３３を除去して、電極２ｂ，２ｃ、配線３ａ及び引出電極３ｂ間を電気的に分離する。これにより、図５（ｂ）の構造が得られる。
【００２７】
次に、フォトリソグラフィ法により、基板１の上に、所望の領域（熱電変換素子形成領域）を覆うフォトレジスト膜（図示せず）を形成する。そして、このフォトレジスト膜をマスクとして熱電変換材料膜３２をエッチングし、図５（ｃ）のように、熱電変換材料膜２ａ、高温側電極２ｂ及び低温側電極２ｃを有する複数の熱電変換素子２を形成する。なお、熱電変換材料膜（Ｌａ−ＳＴＯ）３２のエッチングには、例えば希硝酸を使用する。希硝酸等を使用する化学的なエッチング方法に替えて、イオンミリング等の物理的なエッチング方法により熱電変換材料膜３２をエッチングしてもよい。
【００２８】
次に、基板１を所望の大きさに切断した後、基板１の裏面側を、厚さが例えば１００μｍになるまで研磨する。その後、基板１の引出電極３ｂに引出配線をはんだ付けする。次いで、図５（ｄ）のように、基板１の厚さ方向の両側に伝熱板４，５を取り付ける。伝熱板４，５は、例えばアルミニウム板をプレス加工して凸部４ａ，５ａを形成し、その後に表面を陽極酸化して絶縁性を付与したものである。凸部４ａ，５ａは、切削加工又はその他の方法により形成してもよい。このようにして、本実施形態に係る熱電変換モジュール１０が完成する。
【００２９】
以下、上述した方法により熱電変換モジュール１０を実際に製造し、その特性を調べた結果について説明する。
【００３０】
上述した方法により、厚さが約１００μｍのＳｒＴｉＯ3基板１の上に７０個の熱電変換素子２が直列接続された構造の熱電変換モジュール１０を形成した。熱電変換モジュール１０は、一辺が約１５ｍｍのほぼ正方形であり、厚さが約１ｍｍである。熱電変換素子２は熱電変換材料膜２ａと高温側電極２ｂ及び低温側電極２ｃとを有し、熱電変換材料膜２ａの厚さは約１５ｎｍ、図２のＸ方向（横方向）の長さは約１７０μｍ、Ｙ方向（縦方向）の長さは約１５ｍｍである。また、２枚の伝熱板４，５はアルミニウムにより形成し、表面には陽極酸化処理を施している。
【００３１】
この熱電変換モジュール１０の２枚の伝熱板４，５間に１０℃の温度差を与えたときの開放電圧は０．６Ｖであり、最大出力は０．２５ｍＷであった。
【００３２】
ところで、本実施形態では、熱電変換材料膜２ａを、Ｌａ−ＳＴＯのように電気導電率が低い（すなわち、抵抗率が高い）材料により形成している。熱電変換材料膜を従来のπ型熱電変換素子に使用されているＢｉＴｅのように電気導電率が高い（すなわち、抵抗率が低い）材料により形成すると、熱電変換素子で発生した電力が配線により消費されてしまい、実用にならない。以下に、その詳細について説明する。
【００３３】
Ｌａ−ＳＴＯの電気導電率を２０００Ｓ／ｃｍとし、このＬａ−ＳＴＯにより形成された熱電変換材料膜２ａ（図２，図３参照）の横方向の長さを２００μｍ、縦方向の長さを１５ｍｍ、厚さを１５ｎｍとすると、熱電変換材料膜２ａの抵抗は約５．６Ωとなる。これに対し、熱電変換素子２間を接続する配線（銅配線）３ａの抵抗は、幅が３０μｍ、長さが２００μｍ、厚さが２０μｍとすると、約０．４Ωとなる。従って、配線３ａの抵抗は熱電変換素子２の内部抵抗の１／１０以下であり、配線による電力の損失割合が小さい。
【００３４】
一方、ＢｉＴｅの電気導電率を５００００Ｓ／ｃｍとし、このＢｉＴｅにより形成された熱電変換材料膜の横方向の長さを２００μｍ、縦方向の長さを１５ｍｍ、厚さを１５ｎｍとすると、熱電変換材料膜の抵抗は約０．０３Ωとなる。従って、熱電変換素子の内部抵抗よりも配線の抵抗のほうが高くなり、熱電変換素子で生成された電力の大部分が配線で消費されてしまう。
【００３５】
以上のことから、熱電変換材料膜は、電気導電率が低い材料により形成することが重要であることがわかる。本実施形態において、熱電変換材料膜は、電気伝導率が１０００Ｓ／ｃｍ〜１００００Ｓ／ｃｍの範囲の熱電変換材料により形成することが好ましい。電気導電率が１０００Ｓ／ｃｍ以下では発電出力が小さすぎてしまう。
【００３６】
本実施形態に使用可能な熱電変換材料として、上述のＬａ−ＳＴＯ以外にも、Ｎｂ（ニオブ）を添加したＳｒＴｉＯ3（Ｎｂ−ＳＴＯ）を使用することができる。ＬａやＮｂ等の導電性不純物を添加したＳｒＴｉＯ3はペロブスカイト構造を有し、薄膜化により高いゼーベック係数を表す。このため、ＬａやＮｂ等の導電性不純物を添加したＳｒＴｉＯ3は、本実施形態の熱電変換モジュール１０の熱電変換材料膜の材料として好適である。その他にも、本実施形態の熱電変換モジュール１０の熱電変換材料として、ＺｎＯ、ＴｉＯ2又はＬａＮｉＯ3等を主成分とするｎ型の酸化物半導体材料や、ＬａＣｒＯ3、ＮａＣｏＯ2又はＣａ3Ｃｏ4Ｏ3等を主成分とするｐ型の酸化物半導体材料を使用することもできる。
【００３７】
本実施形態の熱電変換モジュール１０は、熱電変換材料膜としてゼーベック係数が高いＬａ−ＳＴＯのみを用いている。従って、本実施形態に係る熱電変換モジュールは、従来のｎ型半導体とｐ型半導体とを有する熱電変換素子（π型熱電変換素子）を用いた熱電変換モジュールよりも単位面積当たりの出力を増加させることができる。また、本実施形態では、成膜技術とフォトリソグラフィを用いた微細加工技術とを用いて熱電変換素子を形成している。このため、半導体基板から半導体ブロックを切り出して配列させる従来の方法に比べて、熱電変換モジュールを容易に製造できるという利点もある。
【００３８】
以下、第１の実施形態の変形例について説明する。
【００３９】
（変形例１）
図６は、第１の実施形態の変形例１に係る熱電変換モジュールの基板とその上に形成された熱電変換素子との平面図である。なお、図６において、図２と同一物には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００４０】
変形例１では、図６のように、基板１の上に複数の熱電変換素子２を縦方向及び横方向に配列させている。そして、それらの熱電変換素子２を、配線３ａにより直列接続している。
【００４１】
このように、基板１の上に複数の熱電変換素子２を縦方向及び横方向に配列させ、それらの熱電変換素子２を直列接続することにより、図１，図２の熱電変換モジュール１０に比べて高い電圧を出力することができる。
【００４２】
（変形例２）
図７は、第１の実施形態の変形例２に係る熱電変換モジュールの断面図である。なお、図７において、図３と同一物には同一符号を付している。
【００４３】
図３の熱電変換モジュール１０では、基板１が伝熱板４，５の凸部４ａ，５ａに挟まれて支持されており、且つ凸部４ａの位置と凸部５ａの位置とがずれている。このため、伝熱板４，５に上下方向から応力が加えられると、基板１には剪断応力が働き、基板１が破損することが考えられる。
【００４４】
変形例２に係る熱電変換モジュール１２では、図７のように、基板１の下側に配置される伝熱板５の凸部５ａ間の空間に、熱伝導性が低い材料からなる断熱材７を充填している。これにより、基板１の下面側全体が伝熱板５の凸部５ａ及び断熱材７により支持されるため、伝熱板４，５間に上下方向から大きな応力が加えられても、基板１には圧縮応力が働くだけであり、基板１の破損が回避される。
【００４５】
断熱材７は、機械的強度が高く且つ熱伝導率が低い材料で形成することが好ましく、そのような材料としてポリイミド樹脂、エポキシ樹脂及びＡＢＳ樹脂等がある。
【００４６】
断熱材７は、例えば以下の方法により伝熱板５の凸部５ａ間に充填される。すなわち、まず、プレス等により伝熱板５の上側の面に凸部５ａを形成し、表面を絶縁処理する。その後、断熱材７の材料となる樹脂をスプレー法又は印刷法により伝熱板５の上面に塗布した後、スキージ等により凸部５ａの上の樹脂を除去して凸部５ａ間のみに樹脂を残す。次いで、樹脂を硬化させる。このようにして、伝熱板５の凸部５ａ間に断熱材を充填することができる。
【００４７】
なお、図７では伝熱板５の凸部５ａ間に断熱材７を充填した例を記載しているが、伝熱板４の凸部４ａ間に断熱材を充填してもよく、また伝熱板４の凸部４ａ間及び伝熱板５の凸部５ａ間の両方に断熱材を充填してもよい。
【００４８】
（変形例３）
図８は、第１の実施形態の変形例３に係る熱電変換モジュールの断面図である。なお、図８において、図３と同一物には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００４９】
変形例３に係る熱電変換モジュール１３は、伝熱板４の突起４ａ間に伝熱板５の突起５ａに対応する大きさの断熱材８ａを形成し、伝熱板５の突起５ａ間に伝熱板４の突起４ａに対応する大きさの断熱材８ｂを形成している。これらの断熱材８ａ，８ｂは、例えば印刷法により形成することができる。この変形例３においても、変形例２と同様の効果を得ることができる。
【００５０】
（変形例４）
図９は、第１の実施形態の変形例４に係る熱電変換モジュールの断面図である。なお、図９において、図３と同一物には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００５１】
変形例４に係る熱電変換モジュール１４は、図９のように、伝熱板４の凸部４ａに対応する伝熱板５の部分に楔状突起部５ｂを設け、伝熱板５の凸部５ａに対応する伝熱板４の部分に楔状突起部４ｂを設けている。楔状突起部４ｂ及び楔状突起部５ｂは、基板１との接触部分での熱伝導を少なくするために先端を細く形成している。
【００５２】
これらの楔状突起部４ｂ及び楔状突起部５ｂは、例えばプレス加工などにより凸部４ａ及び凸部５ａの形成と同時に形成することができる。この変形例４においても、変形例２と同様の効果を得ることができる。
【００５３】
（変形例５）
図１０は、第１の実施形態の変形例５に係る熱電変換モジュールの断面図である。なお、図１０において、図３と同一物には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００５４】
変形例５に係る熱電変換モジュール１５は、図３の伝熱板４に替えて、伝熱板４０を用いている。この伝熱板４０は、熱電変換素子２の高温側電極２ｂに接触する凸部４０ａを有する複数のヒートブロック４０ｄと、それらのヒートブロック４０ｄ間を接続するフレキシブル伝熱シート（ヒートスプレッダ）４０ｃとを有している。
【００５５】
図３の熱電変換モジュール１０では、伝熱板４と基板１との熱膨張係数が異なるため、伝熱板４の温度が高くなると伝熱板４と基板１との間に基板面に平行な方向の応力が働き、伝熱板４と熱電変換素子２との接合が破壊されることが考えられる。伝熱板４と熱電変換素子２との接合が破壊されると、伝熱板４と熱電変換素子２との間の熱伝導が阻害され、熱電変換効率が著しく低下する。
【００５６】
これに対し、変形例５の熱電変換モジュール１５では、ヒートブロック４０ｄ間がフレキシブル伝熱シート４０ｃにより接続されているため、ヒートブロック４０ｄが熱膨張しても伝熱シート４０ｃに応力が吸収される。これにより、ヒートブロック４０ｄの熱膨張の影響が熱電変換素子２に伝達されず、ヒートブロック４０ｄと熱電変換素子２との接合の破壊が回避され、熱電変換モジュールの信頼性が向上する。
【００５７】
なお、変形例５では高温側にヒートブロック４０ｄと伝熱シート４０ｃとを有する伝熱板４０を配置しているが、低温側にも同様の構造の伝熱板を使用してもよい。
【００５８】
（変形例６）
図１１は、第１の実施形態の変形例６に係る熱電変換モジュールの断面図である。なお、図１１において、図３と同一物には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００５９】
変形例６に係る熱電変換モジュール１６は、基板１の両面にそれぞれ熱電変換素子２を配置している。伝熱板４の凸部４ａは基板１の上側に配置された各熱電変換素子２の高温側電極２ｂに接続され、伝熱板５の凸部５ａは基板１の下側に配置された各熱電変換素子２の低温側電極２ｃに接続されている。
【００６０】
図３の熱電変換モジュール１０では基板１の一方の面上のみに熱電変換素子２を配置しているのに対し、変形例６の熱電変換モジュール１６では基板１の両面に熱電変換素子２を配置している。従って、熱電変換モジュール１６の単位面積当たりの最大出力は、図３の熱電変換モジュール１０の約２倍になる。
【００６１】
（変形例７）
図１２は、第１の実施形態の変形例７に係る熱電変換モジュールの断面図である。なお、図１２において、図１１と同一物には同一符号を付している。
【００６２】
変形例７に係る熱電変換モジュール１７は、図１２のように、基板１の上下両面に熱電変換素子２を配置している。また、伝熱板４，５には、変形例４（図９参照）と同様に、それぞれ楔状突起部４ｂ及び楔状突起部５ｂが設けられている。楔状突起部４ｂは基板１の上側の熱電変換素子２の低温側電極２ｃ間の基板１に接触し、楔状突起部５ｂは基板１の下側の熱電変換素子２の高温側電極２ｂ間の基板１に接触している。
【００６３】
変形例７の熱電変換モジュール１７は、変形例６と同様に基板１の両面に熱電変換素子２を配置しているので、単位面積当たりの最大出力を図３の熱電変換モジュール１０の２倍にすることができる。また、変形例７の熱電変換モジュール１７は、伝熱板４，５に楔状突起部４ｂ，５ｂが設けられているので、伝熱板４，５に上下方向から応力が加えられたときの基板１の破損が回避される。
【００６４】
２．第２の実施形態
図１３は第２の実施形態に係る熱電変換モジュールの熱電変換素子が形成された基板の平面図、図１４は同じくその熱電変換モジュールの断面図である。なお、図１４は図１３のII−II線の位置における断面図を表している。
【００６５】
図１４のように、本実施形態に係る熱電変換モジュール２０は、熱電変換素子２が形成された絶縁性基板１を２枚の伝熱板４，５で挟んだ構造を有している。
【００６６】
絶縁性基板１の上には複数の熱電変換材料膜２２ａが面内方向に一定のピッチで配置されている。図１３のように、各熱電変換材料膜２２ａの中央部の上には、Ｙ方向に延びる高温側電極２２ｂが形成されている。また、各熱電変換材料膜２２ａの両端部上には、それぞれ高温側電極２２ｂと平行に低温側電極２２ｃが形成されている。すなわち、本実施形態においては、一つの熱電変換材料膜２２ａを用いて高温側電極２２ｂが共通の一対（ペア）の熱電変換素子２２を形成している。このペアの熱電変換素子２２の２つの低温側電極２２ｃは配線２３ａを介して相互に電気的に接続され、更に右隣りのペアの熱電変換素子２２の高温側電極２２ａに電気的に接続されている。
【００６７】
図１３の熱電変換モジュール２０では、左端に配置された熱電変換素子２２の高温側電極２２ｂと、右端に配置された熱電変換素子２２の低温側電極２２ｃとに、それぞれ電力を取り出すための引出電極２３ｂが接続されている。
【００６８】
図１５は、本実施形態に係る熱電変換モジュール２０の等価回路図である。この図１５のように、本実施形態に係る熱電変換モジュール２０は、２つの熱電変換素子２２を並列に接続して熱電変換素子ペアとし、一対の引出電極２３ｂ間に複数の熱電変換素子ペアを直列に接続した構造を有している。
【００６９】
伝熱板４，５は、第１の実施形態と同様に、例えば表面が絶縁処理されたアルミニウム板により形成されている。図１４のように、伝熱板４には、各熱電変換素子２２の高温側電極２ｂに接触する凸部４ａが設けられており、伝熱板５には基板１の裏面側であって各熱電変換素子２２の低温側電極２２ｃに対応する領域に接触する凸部５ａが設けられている。図１３において、６ａは伝熱板４の凸部４ａが接触する領域であり、６ｂは伝熱板５の凸部５ａが接触する領域である。
【００７０】
このように構成された本実施形態に係る熱電変換モジュール２０において、伝熱板４を高温側に配置し、伝熱板５を低温側に配置する。そうすると、伝熱板４，５の凸部４ａ，５ａ及び絶縁性基板１を介して各熱電変換素子２２の熱電変換材料膜２２ａに熱が伝達され、熱電変換材料膜２２ａに面内方向（高温側電極２２ｂから低温側電極２２ｃに向かう方向）の温度差が発生する。これにより、ゼーベック効果により高温側電極２２ｂと低温側電極２２ｃとの間に電圧が発生する。各熱電変換素子２２により発生した電圧は、一対の引出電極２３ｂを介して外部に取り出すことができる。
【００７１】
第１の実施形態の熱電変換モジュール１０では、図４の等価回路のように、一対の引出電極３ｂ間に複数の熱電変換素子２が直列に接続されている。このため、それらの熱電変換素子２のうちの一つでも断線不良が発生すると、熱電変換モジュールとして機能しなくなる。これに対し、図１５に等価回路を記載した本実施形態に係る熱電変換モジュール２０では、ペアの熱電変換素子２２のいずれか一方に断線不良が発生しても、熱電変換モジュールとして機能する。このため、製造歩留まりが向上するとともに信頼性も向上する。
【００７２】
また、本実施形態に係る熱電変換モジュール２０では、ペアの熱電変換素子２２の高温側電極２２ｂを共通としているため、高温側電極２２ｂの抵抗が小さく、高温側電極２２ｂによる電力の損失が少ない。
【００７３】
なお、熱電変換素子の数が同じであるとすると、本実施形態に係る熱電変換モジュール２０の出力電圧は、熱電変換素子２が２つずつ並列に接続されているので、第１の実施形態の熱電変換モジュール１０の出力電圧のほぼ１／２となる。但し、最大出力電流がほぼ２倍となるため、最大出力電力はほぼ同じである。
【００７４】
本実施形態に係る熱電変換モジュール２０の製造方法は、電極２２ｂ，２２ｃ及び配線２３ａのパターンが異なること以外は基本的に第１の実施形態と同じである。そのため、ここでは熱電変換モジュール２０の製造方法の説明を省略する。
【００７５】
以下、本実施形態に係る熱電変換モジュール２０を実際に製造し、その特性を調べた結果について説明する。
【００７６】
厚さが約１００μｍのＳｒＴｉＯ3基板１の上に７０個（３５ペア）の熱電変換素子２２を形成し、伝熱板４，５を取り付けて熱電変換モジュール２０とした。熱電変換モジュール２０は一辺が約１５ｍｍのほぼ正方形であり、厚さは約１ｍｍである。熱電変換素子２２は熱電変換材料膜（Ｎｂ添加ＳｒＴｉＯ3膜、Ｎｂ−ＳＴＯ膜）２２ａと高温側電極２２ｂ及び低温側電極２２ｃとを有し、熱電変換材料膜２２ａの厚さは約１５ｎｍ、図１３のＸ方向（横方向）の長さは約３７０μｍ、Ｙ方向（縦方向）の長さは約１５ｍｍである。また、熱電変換材料膜２２ａ間の間隔は約３０μｍであり、高温側電極２２ｂの幅は約６０μｍ、低温側電極２２ｃの幅は約３０μｍである。さらに、２枚の伝熱板４，５はアルミニウムより形成し、表面には陽極酸化処理を施している。
【００７７】
この熱電変換モジュール２０の２枚の伝熱板４，５間に１０℃の温度差を与えたときの開放電圧は０．３Ｖであり、最大出力は０．３ｍＷであった。
【００７８】
以下、第２の実施形態の変形例について説明する。
【００７９】
（変形例１）
図１６は、第２の実施形態の変形例１に係る熱電変換モジュールの断面図である。なお、図１６において、図１４と同一物には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００８０】
変形例１に係る熱電変換モジュール２１は、基板１の両面にそれぞれ複数ペアの熱電変換素子２２を配置している。ペアの熱電変換素子２２は、共通の熱電変換材料膜２２ａと、熱電変換材料膜２２の上（又は下）に配置された高温側電極２２ｂ及び低温側電極２２ｃとを有している。高温側電極２２ｂは熱電変換材料膜２２ａの中央に配置され、低温側電極２２ｃは熱電変換材料膜２２ａの端部に配置されている。
【００８１】
伝熱板４の凸部４ａは基板１の上側に配置された各熱電変換素子２２の高温側電極２２ｂに接続され、伝熱板５の凸部５ａは基板１の下側に配置された各熱電変換素子２２の低温側電極２２ｃに接続されている。
【００８２】
図１４の熱電変換モジュール２０では基板１の一方の面上のみに熱電変換素子２２を配置しているのに対し、変形例１の熱電変換モジュール２１では基板１の両面に熱電変換素子２２を配置している。従って、熱電変換モジュール２１の単位面積当たりの最大出力は、図１４の熱電変換モジュール２０の約２倍になる。
【００８３】
（変形例２）
図１７は、第２の実施形態の変形例２に係る熱電変換モジュールの断面図である。なお、図１７において、図１４と同一物には同一符号を付している。
【００８４】
変形例２に係る熱電変換モジュール２４は、変形例１と同様に、基板１の両面にそれぞれ複数ペアの熱電変換素子を配置している。この変形例２では、基板１の上側の熱電変換素子２２は変形例１と同様に形成されている。しかし、基板１の下側の熱電変換素子２２は、熱電変換材料膜２２ａの中央に配置された低温側電極２２ｃと、熱電変換材料膜２２ａの端部に配置された高温側電極２２ｂにより形成されている。従って、基板１の下側の熱電変換材料膜２２ａは、基板１の上側の熱電変換材料膜２２ａに対し１／２ピッチずれた位置に配置されている。
【００８５】
伝熱板４の凸部４ａは基板１の上側に配置された各熱電変換素子２２の高温側電極２２ｂに接続され、伝熱板５の凸部５ａは基板１の下側に配置された各熱電変換素子２２の低温側電極２２ｃに接続されている。
【００８６】
この変形例２の熱電変換モジュール２４においても、基板１の両面に熱電変換素子２２を配置しているので、単位面積当たりの最大出力は図１４の熱電変換モジュール２０の約２倍になる。
【００８７】
（変形例３）
図１８は、第２の実施形態の変形例３に係る熱電変換モジュールの断面図である。なお、図１８において、図１４と同一物には同一符号を付している。
【００８８】
変形例３に係る熱電変換モジュール２５では、基板１の下側に配置された伝熱板５の凸部５ａ間の空間に、熱伝導性が低い材料からなる断熱材７を充填している。この断熱材７と伝熱板５の凸部５ａとにより基板１の下面側全体が支持されるため、伝熱板４，５間に上下方向から応力が加えられても、基板１の破損が回避される。
【００８９】
３．第３の実施形態
図１９は、第３の実施形態に係る熱電変換モジュールの熱電変換素子が形成された基板の平面図、図２０は同じく熱電変換モジュールの断面図である。なお、図２０は図１９のIII−III線の位置における断面図を表している。
【００９０】
図１９及び図２０のように、本実施形態の熱電変換モジュール３０の基本構成は、図３の熱電変換モジュール１０（第１の実施の形態参照）と概略同様であり、図１９、図２０において図３と同一物には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００９１】
本実施形態の熱電変換モジュール３０では、図１９に６ａで表すように、伝熱板４の凸部４ａが各熱電変換素子２の高温側電極２ｂ間の絶縁性基板１と接触している。つまり、本実施形態においては、伝熱板４の凸部４ａは絶縁性基板１を介して高温側電極２ｂの近傍の熱電変換材料膜２ａと熱的に接触している。
【００９２】
伝熱板４の凸部４ａは、絶縁性基板１との間で十分な熱伝導が行えるように、その横幅（図１９においてＸ方向の長さ）が例えば２０μｍ程度、縦方向の長さ（図１９においてＹ方向の長さ）が例えば１５ｍｍ程度に設定される。また、各熱電変換素子２の高温側電極２ｂ間の間隔は、凸部４ａと高温側電極２ｂとの接触を防ぐべく、凸部４ａよりも大きい間隔（例えば３０μｍ程度）に設定される。
【００９３】
伝熱板５の凸部５ａは、低温側電極２ｃに対応する部分（図１９に６ｂで表す部分）で絶縁性基板１と接触している。すなわち、伝熱板５の凸部５ａは絶縁性基板１を介して低温側電極２ｃ近傍の熱電変換材料膜２ａと熱的に接触している。
【００９４】
本実施形態の熱電変換モジュール３０のその他の構成は、図１〜図３の第１実施形態の熱電変換モジュール１０と同様である。なお、本実施形態では、伝熱板４，５（凸部４ａ，５ａ）は熱電変換素子２とは接触しないので、伝熱板４，５の表面に絶縁処理を施さなくてもよい。
【００９５】
以上のように構成された熱電変換モジュール３０によれば、図３の熱電変換モジュール１０と同様の効果が得られる。
【００９６】
また、本実施形態の熱電変換モジュール３０では、図３の熱電変換モジュール１０と異なり、伝熱板４の凸部４ａは電極２ｂと接触しない。従って、熱電変換材料膜２ａ及び電極２ｂ，２ｃは凸部４ａからの機械的応力を受けずにすみ、伝熱板４，５を介して外部からの応力が加わっても熱電変換素子２が破損しにくい。そのため、熱電変換モジュール３０の信頼性がさらに向上する。
【００９７】
なお、本実施形態において、第１の実施形態と同様に伝熱板４，５の凸部間の空間に断熱材を配置してもよく、基板１の両面に熱電変換素子２を配置してもよい。
【００９８】
以下、本実施形態に係る熱電変換モジュール３０を実際に作製し、その特性を調べた結果について説明する。
【００９９】
厚さが約１００μｍのＳｒＴiＯ3基板１の上に直列接続された７０個の熱電変換素子２を形成し、伝熱板４，５を取り付けて熱電変換モジュール３０とした。この熱電変換モジュールは１辺の長さが約１５ｍｍのほぼ正方形であり、厚さは約１ｍｍである。各熱電変換素子２に含まれる熱電変換材料膜２ａは、厚さは約１５ｎｍ、図１９のＸ方向（横方向）の長さは約１７０μｍ、Ｙ方向（縦方向）の長さは約１５ｍｍである。また、熱電変換素子２間の間隔は約３０μｍである。２枚の伝熱板４，５は銅で作製し、凸部４ａ，５ａの部分を基板１に接合した。
【０１００】
この熱電変換モジュール３０の２枚の伝熱板４，５間に１０℃の温度差を与えたところ、開放電圧は０．６Ｖであり、最大出力は０．２７ｍＷであった。
【０１０１】
４．第４の実施形態
図２１は第４の実施形態に係る熱電変換モジュールの熱電変換素子が形成された基板の平面図、図２２は同じくその熱電変換モジュールの断面図である。なお、図２２は、図２１のIV−IV線の位置における断面図を表している。
【０１０２】
図２１及び図２２のように、本実施形態の熱電変換モジュール５０の基本構成は、図１４の熱電変換モジュール２０（第２の実施の形態参照）と同様であり、図２１，図２２において図１４と同一物には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【０１０３】
本実施形態の熱電変換モジュール５０は、第２の実施形態の熱電変換素子２２（図１４参照）と類似した構造の熱電変換素子５２を備えている。ただし、熱電変換素子５２では、熱電変換材料膜２２ａの中央部に形成された電極が低温側電極２２ｃであり、熱電変換材料膜２２ａの両端部に形成された電極が高温側電極２２ｂとなっている。これにより、隣り合う熱電変換素子５２の対向する辺には高温側電極２２ｂが配置されている。
【０１０４】
伝熱板４の凸部４ａは各熱電変換素子５２の高温側電極２２ｂ間に配置され、図２１に６ａで表した部分で絶縁性基板１と接触している。すなわち、伝熱板４の凸部４ａは高温側電極２２ｂ間の絶縁性基板１と接触し、絶縁性基板１を介して高温側電極２２ｂの近傍の熱電変換材料膜２２ａと熱的に接触している。
【０１０５】
伝熱板４の凸部４ａは、その横幅（図２１においてＸ方向の長さ）が例えば２０μｍ程度、縦方向の長さ（図２１においてＹ方向の長さ）が例えば１５ｍｍ程度に設定される。また、各熱電変換素子２２の高温側電極２２ｂ間の間隔は、凸部４ａと高温側電極２２ｂとの接触を防ぐべく、凸部４ａよりも大きい間隔（例えば３０μｍ程度）に設定される。
【０１０６】
一方、伝熱板５の凸部５ａは、低温側電極２２ｃに対応する部分に配置され、図２１に６ｂで表す部分で絶縁性基板１の裏面側と接触している。このように、伝熱板５の凸部５ａは低温側電極２２ｃの近傍の絶縁性基板１と接触することにより、絶縁性基板１を介して低温側電極２ｃ付近の熱電変換材料膜２ａと熱的に接触している。
【０１０７】
本実施形態の熱電変換モジュール５０のその他の構成は、図１３〜図１４の第２実施形態の熱電変換モジュール２０と同様である。なお、本実施形態では、伝熱板４，５（凸部４ａ，５ａ）は熱電変換素子２２に接触しないので、伝熱板４，５の表面に絶縁処理を施す必要はない。
【０１０８】
以上のように構成された熱電変換モジュール５０によれば、図１４の熱電変換モジュール２０と同様の効果が得られる。
【０１０９】
また、熱電変換モジュール５０では、図１４の熱電変換モジュール２０と異なり、伝熱板４の凸部４ａは電極２２ｂとは接触せずに直接絶縁性基板１と接触している。従って、熱電変換材料膜２２ａ及び電極２２ｂは凸部４ａからの機械的応力を受けずにすみ、伝熱板４，５を介して外部からの応力が加わっても熱電変換素子５２が破損しにくい。そのため、熱電変換モジュール５０の信頼性がさらに向上する。
【０１１０】
なお、本実施形態においても第２の実施形態と同様に伝熱板４，５の凸部４ａ，５ａ間の空間に断熱材を配置してもよく、基板１の両面に熱電変換素子２を配置してもよい。
【０１１１】
以下、本実施形態に係る熱電変換モジュール５０を実際に作製し、その特性を調べた結果について説明する。
【０１１２】
厚さが約１００μｍのＳｒＴiＯ3基板１の上に７０個（３５ペア）の熱電変換素子５２を形成し、伝熱板４，５を取り付けて熱電変換モジュール５０とした。熱電変換モジュール５０は、一辺が１５ｍｍのほぼ正方形であり、厚さは１ｍｍである。熱電変換材料膜（Ｎｂ添加ＳｒＴｉＯ3膜）２２ａは、厚さが約１５ｎｍ、横方向（図２１のＸ方向）の長さが約３７０μｍ、縦方向（図２１のＹ方向）の長さが約１５ｍｍである。熱電変換素子５２間の間隔は約３０μｍであり、低温側電極２２ｃの幅は約６０μｍ、高温側電極２２ｂの幅は約３０μｍである。２枚の伝熱板４，５は、銅により形成した。
【０１１３】
この熱電変換モジュール５０の２枚の伝熱板４，５間に１０℃の温度差を与えたときの開放電圧は０．３Ｖであり、最大出力は０．３３ｍＷであった。
【０１１４】
５．第５の実施形態
図２３は、第５の実施形態に係る熱電変換モジュールの熱電変換素子が形成された基板の平面図であり、図２４は同じくその熱電変換モジュールの断面図である。なお、図２４は図２３のＶ−Ｖ線の位置における断面図を表している。
【０１１５】
図２３及び図２４のように、本実施形態の熱電変換モジュール６０の基本構成は、図２及び図３の熱電変換モジュール１０（第１の実施形態参照）と同様であり、図２３及び図２４において、図２及び図３と同一物には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【０１１６】
本実施形態の熱電変換モジュール６０では、絶縁性基板１ａがＳｒＴｉＯ3よりも熱伝導率が低い絶縁性単結晶材料、例えば酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）又は酸化セリウム（ＣｅＯ2）等で形成されている。また、熱電変換モジュール６０の内部の空間には断熱材６５ａ，６５ｂ，６５ｃが充填されている。さらに、熱電変換素子２と伝熱板４との間は絶縁膜６６が設けられており、その絶縁膜６６によって伝熱板４と熱電変換素子２とが電気的に絶縁されている。
【０１１７】
熱電変換モジュール６０のその他の構成は、第１の実施形態の熱電変換モジュール１０（図２及び図３参照）と同様である。
【０１１８】
上述のように構成された本実施形態の熱電変換モジュール６０によれば、第１の実施形態の熱電変換モジュール１０と同様の効果が得られる。さらに、絶縁性基板１ａをＳｒＴｉＯ3よりも熱伝導性が低い材料（ＺｒＯ2又はＣｅＯ2等）で形成しているので、絶縁性基板１ａ内の熱拡散を抑制できる。これにより、熱電変換材料膜２ａ内の温度差をより大きくすることができ、熱電変換素子２の発生電力をより一層増加させることができる。
【０１１９】
また、本実施形態では、熱電変換モジュール６０内の空間に断熱材６５ａ，６５ｂ，６５ｃを充填しているため、熱電変換モジュール６０の機械的強度が向上し、外力による破損を防ぐことができる。
【０１２０】
図２５〜図２８は、第５の実施形態に係る熱電変換素子６０の製造方法を工程順に表す断面図である。
【０１２１】
まず、図２５（ａ）のように、厚さが約５００μｍで、表面の面方位が（１００）の単結晶シリコンウエハ１ｂを用意する。そして、このシリコンウエハ１ｂの上に、スパッタ法によりＹ（イットリウム）を約８ａｔ％含むＺｒＯ2を約５μｍの厚さに堆積（エピタキシャル成長）させて、絶縁性基板１ａを形成する。Ｙを添加したＺｒＯ2は高い靭性を有することから、絶縁性基板１ａを薄型化できる。
【０１２２】
なお、絶縁性基板１ａは、ＣｅＯ2によりで形成してもよいし、ＺｒＯ2とＣｅＯ2との積層構造としてもよい。
【０１２３】
次に、図２５（ｂ）のように、絶縁性基板１ａの上に、スパッタ法によりニオブ（Ｎｂ）を１５ａｔ％程度添加したＳｒＴｉＯ3（Ｎｂ−ＳＴＯ）を約５０ｎｍの厚さに堆積（エピタキシャル成長）させて、ｎ型の熱電変換材料膜３２を形成する。なお、Ｎｂ−ＳＴＯの堆積に先立って、不純物を添加していないＳｒＴｉＯ3を薄く（例えば１０ｎｍ程度）堆積させておいてもよい。この場合には、Ｎｂ−ＳＴＯ膜の結晶性が向上し、熱電変換材料膜３２の熱電変換特性をより一層向上させることができる。
【０１２４】
次に、図２５（ｃ）のように、熱電変換材料膜３２の上に、高温側電極２ｂ、低温側電極２ｃ、配線３ａ（図２５では図示せず）及び引出電極３ｂ（図２５では図示せず）を形成する。高温側電極２ｂ、低温側電極２ｃ、配線３ａ及び引出電極３ｂの形成は、図５（ｂ）を参照しつつ説明したのと同様の工程で行うことができる。
【０１２５】
次に、図２６（ａ）のように、熱電変換材料膜３２をパターニングすることにより、絶縁性基板１ａの上に、熱電変換材料膜２ａ、高温側電極２ｂ及び低温側電極２ｃを有する複数の熱電変換素子２を形成する。熱電変換材料膜３２のパターニングは、図５（ｃ）を参照しつつ説明したのと同様の工程で行うことができる。
【０１２６】
次に、図２６（ｂ）のように、熱電変換素子２の上に例えばポリイミド樹脂、エポキシ樹脂又はＡＢＳ樹脂等の樹脂を塗布して樹脂膜を形成し、この樹脂膜を、電極２ｂ，２ｃの上面が露出するまで研磨して、断熱材６５ａと形成する。なお、断熱材６５ａの材料は樹脂に限定するものではなく、樹脂以外の材料により形成してもよい。本実施形態では断熱材６５ａをポリイミド樹脂により形成するものとする。また、後述する工程で形成する断熱材６５ｂ，６５ｃについても同様とする。
【０１２７】
次に、図２６（ｃ）のように、断熱材６５ａ及び高温側電極２ｂ及び低温側電極２ｃの上に、スパッタ法によりアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）を約１００ｎｍの厚さに堆積させて絶縁膜６６を形成する。絶縁膜６６はアルミナ以外の材料により形成してもよいが、伝熱板４と熱電変換素子２との間の熱伝導を阻害しないように、熱伝導性の良い絶縁材料で形成することが好ましい。
【０１２８】
次に、図２７（ａ）のように、絶縁膜６６の上にポリイミド樹脂膜を形成し、このポリイミド樹脂膜の表面を研磨して平坦化することにより厚さが約５μｍの断熱材６５ｂを形成する。その後、高温側電極２ｂ同士が対向する部分（図２３に６ａで表す部分）の上の断熱材６５ｂを除去して、絶縁膜６６が露出する開口部６５ｄを形成する。
【０１２９】
次に、図２７（ｂ）のように、断熱材６５ｂ及び絶縁膜６６の上に、例えば１５μｍの厚さの銅めっき膜を形成し、その銅めっき膜の表面を研磨して平坦化することにより、伝熱板４を形成する。なお、伝熱板４の凸部４ａは、開口部６５ｄ内に堆積した銅によって形成される。
【０１３０】
次に、図２７（ｃ）のように、絶縁性基板１ａの下面側のシリコンウエハ１ｂを研磨等により除去する。
【０１３１】
次に、図２８（ａ）のように、絶縁性基板１ａの下面側に、ポリイミド樹脂膜を形成した後、このポリイミド樹脂膜の表面を研磨して平坦化して、厚さが約５μｍの断熱材６５ｃを形成する。その後、隣接する低温側電極２ｃ同士が対向する部分（図２３に６ｂで表す部分）の下方の断熱材６５ｃを除去して、開口部６５ｅを形成する。
【０１３２】
次に、図２８（ｂ）のように、絶縁性基板１ａの下面側全面に例えば厚さが約１５μｍの銅めっき膜を形成し、この銅めっき膜を研磨して平坦化することにより、伝熱板５を形成する。なお、伝熱板５の凸部５ａは、開口部６５ｅ内に堆積した銅によって形成される。
【０１３３】
次いで、絶縁性基板１ａを熱電変換モジュール６０毎に切り分ける。これにより、本実施形態の熱電変換モジュール６０が完成する。
【０１３４】
上述のように、本実施形態に係る熱電変換モジュールの製造方法では、シリコンウエハ１ｂの上に絶縁性基板１ａ及び熱電変換素子２を形成している。このため、ＳｒＴｉＯ3単結晶ウエハを用いる場合に比べて、ウエハの大口径化が容易である。従って、一度により多くの熱電変換モジュールを製造することができ、ＳｒＴｉＯ3の単結晶基板を用いる場合に比べて熱電変換モジュール６０の製造コストを大幅に下げることができる。
【０１３５】
なお、上述の例では、熱電変換モジュール６０の製造工程においてシリコンウエハ１ｂを完全に除去していたが、シリコンウエハ１ｂの全部又は一部を残してもよい。この場合には熱電変換モジュール６０の製造工程をさらに簡略化できる。但し、シリコンはＳｒＴｉＯ3よりも熱伝導率が高いため、上述したように除去することが好ましい。
【０１３６】
以下、上述した方法で熱電変換モジュール６０を実際に作製し、その特性を調べた結果について説明する。
【０１３７】
上述した方法により、厚さが約５００μｍのシリコンウエハ１ｂの上に、厚さが約５μｍのＹを添加したＺｒＯ2からなる絶縁性基板１ａを形成し、その上に直列接続された７０個の熱電変換素子２を形成した。その後、断熱材６５ａ、絶縁膜６６、断熱材６５ｂ及び伝熱板４を形成した後、シリコンウエハ１ｂを除去し、更に絶縁性基板１ａの下側に絶縁膜６６及び伝熱板５を形成して、熱電変換モジュール６０を得た。この熱電変換モジュール６０は、一辺が１５ｍｍのほぼ正方形であり、厚さが約１ｍｍである。各熱電変換素子２に含まれる熱電変換材料膜２ａは、厚さは約５０ｎｍ、図２３のＸ方向（横方向）の長さは約１７０μｍ、Ｙ方向（縦方向）の長さは約１５ｍｍである。また、熱電変換素子２間の間隔は約３０μｍである。また、伝熱板４，５は銅により形成した。
【０１３８】
この熱電変換モジュール６０の２枚の伝熱板４，５間に１０℃の温度差を与えたときの開放電圧は０．６Ｖであり、最大出力は０．７０ｍＷであった。
【０１３９】
６．第６の実施形態
図２９は、第６の実施形態に係る熱電変換モジュールの熱電変換素子が形成された基板の平面図であり、図３０は、同じくその熱電変換モジュールの断面図である。なお、図３０は、図２９のVI−VI線の位置における断面図である。
【０１４０】
図２９及び図３０のように、本実施形態の熱電変換モジュール７０の基本構成は、図２１及び図２２の熱電変換モジュール５０（第４の実施形態参照）と概略同様である。そのため、図２９及び図３０において、図２１及び図２２と同一物には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【０１４１】
本実施形態の熱電変換モジュール７０では、絶縁性基板１ａがＳｒＴｉＯ3よりも熱伝導率が低い絶縁性単結晶材料、例えばＺｒＯ2又はＣｅＯ2等で形成されている。また、熱電変換モジュール７０内の空間には、断熱材７５ａ，７５ｂが充填されている。
【０１４２】
なお、熱電変換モジュール７０のその他の構成は、第４の実施形態の熱電変換モジュール５０（図２１及び図２２参照）と同様であるのでその説明は省略する。
【０１４３】
上述のように構成された熱電変換モジュール７０によれば、第４の実施形態の熱電変換モジュール５０と同様の効果が得られる。さらに、絶縁性基板１ａをＳＴＯよりも熱伝導性が低い材料（ＺｒＯ2又はＣｅＯ2等）で形成しているので、絶縁性基板１ａ内の熱の拡散を抑制できる。これにより、熱電変換材料膜２２ａ内の温度差をより大きくすることができ、熱電変換素子５２の発生電力をより一層増加させることができる。
【０１４４】
また、本実施形態の熱電変換モジュール７０では、その内部の空間に断熱材７５ａ，７５ｂが充填されているため、機械的強度が高く、外力が加えられても破損するおそれが少ない。
【０１４５】
図３１及び図３２は、第６の実施形態に係る熱電変換素子７０の製造方法を工程順に表す断面図である。
【０１４６】
まず、図３１（ａ）のように、厚さが約５００μｍ、表面の面方位が（１００）の単結晶シリコンウエハ１ｂを用意する。そして、そのシリコンウエハ１ｂの上に、スパッタ法により、Ｙを約８ａｔ％含むＺｒＯ2を約４μｍの厚さに堆積（エピタキシャル成長）させる。
【０１４７】
その後、ＣｅＯ2をスパッタ法により約１μｍの厚さに堆積させる。このようにして、ＺｒＯ2層とＣｅＯ2層との２層構造を有する絶縁性基板１ａを形成する。本実施形態では絶縁性基板１ａが靭性が高いＹ−ＺｒＯ2（Ｙを添加したＺｒＯ2）層を有するので、絶縁性基板１ａを薄型化できる。また、ＺｒＯ2層の上にＣｅＯ2層を形成しているので、絶縁性基板１ａの上に結晶性の良い熱電変換材料膜（Ｌａ−ＳＴＯ又はＮｂ−ＳＴＯ等）３２を成膜できる。
【０１４８】
次に、絶縁性基板１ａの上にスパッタ法によりＬａを約３ａｔ％添加したＳｒＴｉＯ3（Ｌａ−ＳＴＯ）を約５０ｎｍ堆積（エピタキャル成長）させて、熱電変換膜３２を形成する。
【０１４９】
次に、フォトリソグラフィ法により、熱電変換材料膜３２の上に所定形状のレジストパターン（不図示）を形成する。そして、そのレジストパターンをマスクにして熱電変換材料膜３２をエッチングし、図３１（ｂ）のように所定のパターンの熱電変換材料膜２２ａを形成する。
【０１５０】
次に、図３１（ｃ）のように、例えば銅等の導電材料を使用して、第１の実施形態と同様の方法（図５（ｂ）参照）により、高温側電極２２ｂ、低温側電極２２ｃ、配線２３ａ（図３１では図示せず）及び引出電極２３ｂ（図３１では図示せず）をそれぞれ所定のパターンで形成する。このようにして、絶縁性基板１ａの上に熱電変換材料膜２２ａ、高温側電極２２ｂ及び低温側電極２２ｃを有する複数の熱電変換素子５２が形成される。
【０１５１】
その後、絶縁性基板１ａ及び熱電変換素子５２の上にポリイミド樹脂膜を形成した後、そのポリイミド樹脂膜を研磨して平坦化することにより、厚さが約５μｍの断熱材７５ａを形成する。以上の工程により、図３１（ｃ）の構造が完成する。
【０１５２】
次に、図３２（ａ）のように、隣接する熱電変換材料膜２２ａの間の部分（図２９に６ａで表す部分）の断熱材７５ａを除去して、絶縁性基板１ａが露出する開口部７５ｃを形成する。その後、開口部７５ｃ及び断熱材７５ａの上に、めっき法により例えば銅めっき膜を約１５μｍの厚さに形成した後、この銅めっき膜を研磨し平坦化して、伝熱板４とする。
【０１５３】
次に、図３２（ｂ）のように、絶縁性基板１ａの下のシリコンウエハ１ｂを、例えば研磨により除去する。
【０１５４】
その後、図３２（ｃ）のように、絶縁性基板１ａの裏面側（図３２（ｂ）では下側）に例えばポリイミド樹脂膜を形成し、そのポリイミド膜の表面を研磨して平坦化することにより厚さが約５μｍの断熱材７５ｂを形成する。さらに、低温側電極２２ｃに対応する部分（図２９に６ｂで表す部分）の断熱材７５ｂを除去して、開口部７５ｄを形成する。その後、開口部７５ｄを含む断熱材７５ｂの上に、例えば銅めっき膜を約１５μｍの厚さに形成し、この銅めっき膜を研磨し平坦化して、伝熱板５とする。
【０１５５】
次いで、この熱電変換素子５２及び伝熱板４，５が形成された絶縁性基板１ａを個別のモジュール毎に切り分けることにより、本実施形態の熱電変換モジュール７０が完成する。
【０１５６】
以上のように、本実施形態の熱電変換モジュール７０の製造方法においても、第５の実施形態と同様に、シリコンウエハ１ｂの上に絶縁性基板１ａを形成し、その上に熱電変換素子２を形成している。そのため、シリコンウエハ１ｂの大口径化によって、一度により多くの熱電変換モジュール７０を製造することができる。その結果、熱電変換モジュール７０の製造コストを下げることができる。
【０１５７】
以下、上述した方法により熱電変換モジュール７０を実際に製造し、その特性を調べた結果について説明する。
【０１５８】
厚さが５００μｍのシリコンウエハ１ｂの上に、Ｙを８ａｔ％程度添加したＺｒＯ2層を約４μｍの厚さに形成し、その上にＣｅＯ2層を約１μｍの厚さに形成して、ＺｒＯ2層及びＣｅＯ2層の２層構造の絶縁性基板１ａを形成した。そして、この絶縁性基板１ａの上に、７０個（３５ペア）の熱電変換素子５２を形成した。その後、断熱材７５ａ及び伝熱板４の形成を行った後、シリコンウエハ１ｂを除去し、さらに断熱材７５ｂ及び伝熱板５を形成して、熱電変換モジュール７０とした。
【０１５９】
この熱電変換モジュール７０は、一辺が約１５ｍｍのほぼ正方形であり、厚さは約１ｍｍである。熱電変換材料膜（Ｎｂ−ＳＴＯ）２２ａは、厚さが約５０ｎｍ、横方向（図２９のＸ方向）の長さが約３７０μｍ、縦方向（図２９のＹ方向）の長さが約１５ｍｍである。熱電変換素子５２の間隔は約３０μｍであり、低温側電極２２ｃの幅は約６０μｍ、高温側電極２２ｂの幅は約３０μｍである。また、伝熱板４，５は、銅により形成した。
【０１６０】
この熱電変換モジュール７０の２枚の伝熱板４，５間に１０℃の温度差を与えたときの開放電圧は０．３Ｖであり、最大出力は、０．７０ｍＷであった。
【０１６１】
以上の第１〜第６の実施形態では、伝熱板４を高温側に配置し、その反対側の伝熱板５を低温側に配置した場合を例に説明したが、上記諸実施形態はこれに限定されるものではなく、伝熱板４を低温側に配置し伝熱板５を高温側に配置してもよい。この場合には、各熱電変換素子には上述の例とは逆方向の起電力が発生し、熱電変換モジュールの引出電極間に発生する電圧も逆向きとなる。
【図１】
2011065185.tif 000003
【図２】
2011065185.tif 000004
【図３】
2011065185.tif 000005
【図４】
2011065185.tif 000006
【図５】
2011065185.tif 000007
【図６】
2011065185.tif 000008
【図７】
2011065185.tif 000009
【図８】
2011065185.tif 000010
【図９】
2011065185.tif 000011
【図１０】
2011065185.tif 000012
【図１１】
2011065185.tif 000013
【図１２】
2011065185.tif 000014
【図１３】
2011065185.tif 000015
【図１４】
2011065185.tif 000016
【図１５】
2011065185.tif 000017
【図１６】
2011065185.tif 000018
【図１７】
2011065185.tif 000019
【図１８】
2011065185.tif 000020
【図１９】
2011065185.tif 000021
【図２０】
2011065185.tif 000022
【図２１】
2011065185.tif 000023
【図２２】
2011065185.tif 000024
【図２３】
2011065185.tif 000025
【図２４】
2011065185.tif 000026
【図２５】
2011065185.tif 000027
【図２６】
2011065185.tif 000028
【図２７】
2011065185.tif 000029
【図２８】
2011065185.tif 000030
【図２９】
2011065185.tif 000031
【図３０】
2011065185.tif 000032
【図３１】
2011065185.tif 000033
【図３２】
2011065185.tif 000034
【手続補正書】
【提出日】平成24年5月9日(2012.5.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性基板と、
ｎ型及びｐ型のいずれか一方の熱電変換材料からなり、前記絶縁性基板の第１の面上に相互に間隔をおいて複数配置された熱電変換材料膜と、
各熱電変換材料膜上にそれぞれ相互に離隔して形成された第１の電極及び第２の電極と、
前記絶縁性基板の前記第１の面側に配置され、前記第１の電極に接触する凸部が設けられた第１の伝熱部材と、
前記絶縁性基板の第２の面側に配置され、前記絶縁性基板の前記第２の面上であって前記第２の電極に対応する領域に接触する凸部が設けられた第２の伝熱部材と
を有することを特徴とする熱電変換モジュール。
【請求項２】
絶縁性基板と、
ｎ型及びｐ型のいずれか一方の熱電変換材料からなり、前記絶縁性基板の第１の面上に相互に間隔をおいて複数配置された熱電変換材料膜と、
各熱電変換材料膜上にそれぞれ相互に離隔して形成された第１の電極及び第２の電極と、
前記絶縁性基板の前記第１の面側に配置され、前記第１の電極の間で前記絶縁性基板に接触する凸部が設けられた第１の伝熱部材と、
前記絶縁性基板の第２の面側に配置され、前記絶縁性基板の前記第２の面上であって前記第２の電極に対応する領域に接触する凸部が設けられた第２の伝熱部材と
を有することを特徴とする熱電変換モジュール。
【請求項３】
前記第２の電極は前記熱電変換材料膜上の中央部に形成され、前記第１の電極は前記熱電変換材料膜上の前記第２の電極を挟む位置にそれぞれ形成され、前記第１の電極は隣接する前記熱電変換材料膜上の前記第２の電極に接続されていることを特徴とする請求項２に記載の熱電変換モジュール。
【請求項４】
前記第１の電極は前記熱電変換材料膜の一方の辺に沿って形成され、前記第２の電極は前記熱電変換材料膜の前記一方の辺に対向する他方の辺に沿って形成され、前記第１の電極は一方の側に隣接する前記熱電変換材料膜上の前記第２の電極に接続され、前記第２の電極は他方の側に隣接する前記熱電変換材料膜上の前記第１の電極に接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱電変換モジュール。
【請求項５】
前記熱電変換材料膜が、チタン酸ストロンチウムを主成分とする導電性酸化物により形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱電変換モジュール。
【請求項６】
絶縁性基板の第１の面上にｎ型及びｐ型のいずれか一方の熱電変換材料からなる熱電変換材料膜を形成する工程と、
前記熱電変換材料膜の上に、第１の電極及び第２の電極を相互に離隔させて形成する工程と、
前記熱電変換材料膜をパターニングして、前記熱電変換材料膜、前記第１の電極及び前記第２の電極を有する熱電変換素子を複数形成する工程と、
前記絶縁性基板の前記第１の面側に、前記第１の電極又は前記第１の電極間の前記絶縁性基板に接触する凸部が設けられた第１の伝熱部材を配置し、前記絶縁性基板の第２の面側に前記絶縁性基板の前記第２の面上であって前記第２の電極に対応する領域に接触する凸部が設けられた第２の伝熱部材を配置する工程と
を有することを特徴とする熱電変換モジュールの製造方法。
【請求項７】
前記絶縁性基板がチタン酸ストロンチウムを主成分とする絶縁性酸化物からなり、前記熱電変換材料膜は前記絶縁性基板上にチタン酸ストロンチウムを主成分とする導電性酸化物をエピタキシャル成長させて形成することを特徴とする請求項６に記載の熱電変換モジュールの製造方法。
【請求項８】
シリコン単結晶からなるシリコンウエハの上に、絶縁材料をエピタキシャル成長させて絶縁性基板を形成する工程と、
前記絶縁性基板の上にｎ型及びｐ型のいずれか一方の熱電変換材料からなる熱電変換材料膜を形成する工程と、
前記熱電変換材料膜の上に、第１の電極及び第２の電極を相互に離隔させて形成する工程と、
前記熱電変換材料膜をパターニングすることにより、前記熱電変換材料膜、前記第１の電極及び前記第２の電極を有する熱電変換素子を複数形成する工程と、
前記熱電変換素子の上に、前記第１の電極の近傍の前記熱電変換材料膜と熱的に接触する凸部が設けられた第１の伝熱部材を形成する工程と、
前記シリコンウエハを除去する工程と、
前記絶縁性基板の下面であって前記第２の電極に対応する領域に接触する凸部が設けられた第２の伝熱部材を形成する工程とを有し、
前記絶縁性基板は前記熱電変換材料膜よりも熱伝導率が低い材料により形成することを特徴とする熱電変換モジュールの製造方法。
【国際調査報告】
2011065185.tif 000035
2011065185.tif 000036
2011065185.tif 000037
2011065185.tif 000038
2011065185.tif 000039
2011065185.tif 000040
2011065185.tif 000041
2011065185.tif 000042